气垫炉漂浮技术研究综述

我国汽车产量随着中国汽车工业迅速发展而迅速增加。2016年中国汽车产销量已达2800万辆[1]，汽车保有量已超过1.94亿辆[2]。据预测，2020年中国汽车保有量将达到2.6亿辆[3-5]。汽车产量和保有量的增多，给人们出行带来方便的同时，能源消耗、环境污染和乘人安全三大问题也越来越受到关注[6]。

用铝合金板带材替代汽车制造中使用的钢材是解决能源消耗、环境污染和乘人安全三大问题的重要手段[7]。对于汽车工业来说，尽量多用铝合金板带材是势在必行[8-15]。

铝合金薄板是汽车轻量化的重要材料，因其生产技术水平和工艺难度非常高，被视为铝合金材料中的顶级产品[11]，目前，国内铝加工企业尚不能大批量稳定供货[16]。其原因之一是汽车用铝合金薄板生产中的重要设备气垫炉，对不少铝加工企业来说是一个瓶颈。

气垫炉是高品质铝合金薄板带生产过程中必不可少的设备，属于铝板带连续热处理线上的核心设备。与传统热处理炉相比，气垫炉具有加热速度快、工作效率高、产品表面质量好等优点，是一种先进的热处理设备。对于厚度1.5 mm以下的铝薄带材的热处理，气垫炉具有无可比拟的优点[17-18]。

气垫炉设备复杂、设计难度高，目前，美国Surface公司、德国Otto Juncker公司、奥地利的Ebner公司，日本大同制造等企业的气垫炉技术比较成熟。我国气垫炉技术与之相比差距较大，有碍高附加值铝合金产品的生产[19]。

为提高目前我国汽车用高品质铝合金薄板生产中的热处理装备水平，研制出具有自主知识产权的气垫炉设备已经迫在眉睫[20]。

气垫炉关键技术主要包括气垫炉加热技术与气垫炉的飘浮技术。气垫炉内的传热过程属于常规的强制对流传热过程。针对工业气垫炉内带材与热空气的对流传热问题[21]，国内技术人员已提出了气垫炉的传热设计计算公式。因此气垫炉的加热问题已经不是制约我国气垫炉设计与开发的难点。气垫炉的飘浮问题涉及空气动力学、固体力学、流固耦合等方面的内容，其中流固耦合问题的研究过程复杂且其理论基础也不太完善，而且目前没有成熟的数学模型可以描述气垫炉内带材与气垫的耦合过程，而铝带材在其他热处理炉内不存在飘浮问题，使气垫炉的飘浮设计没有可以借鉴的设计经验。本文综述关于气垫炉飘浮技术的研究。

1 气垫炉简介及发展历史

1.1 气垫炉简介

气垫式连续退火炉简称气垫炉，分为水平展开式和立式两类。水平展开式气垫炉中的带材沿前进方向水平通过炉膛，具有生产效率高，制造成本低，占地面积大，设计开发难度大等特点；立式气垫炉中的带材从炉体上方向下穿过炉膛，具有炉体长度受带材长度限制，占地面积小，制造成本高，张力受炉内带材重量影响不易控制的特点。

广义的气垫炉包括开卷机、缝合机、脱脂箱、干燥箱、前活套、气垫炉本体、水封、酸洗箱、钝化箱、卷取机等设备。狭义的气垫炉只是指气垫炉本体。气垫炉实物图如图1所示。

图1 气垫炉实物图
Fig.1 Process scheduling of the air-cushion furnace line

气垫炉由若干个结构相同的热处理单元组成，前几个热处理单元为加热区，以迅速提高带材的温度。后几个热处理单元为匀热区，以保证带材的温度分布更加均匀。

单个气垫炉热处理单元长度一般为5 m～8 m。热处理单元的主要设备包括炉体、加热系统、鼓风机与机架系统、风道、导流结构、喷嘴、气封系统和检测系统等。气垫炉热处理单元结构如图2所示。

在气垫炉的工作过程中，带材一边飘浮一边前进，在飘浮的过程中与热空气进行热交换，从而完成加热过程。气垫炉的工作过程如图3所示。

在工作过程中，气垫炉主要有两个功能：一方面，基于空气动力学原理，喷嘴喷射气流到带材的上下表面，使带材飘浮在空中；另一个方面，基于对流传热原理，热气流与带材相接触，使带材完成对流传热过程。

图2 热处理单元结构示意图
Fig.2 Structure diagram of the heat treatment unit

1.2 气垫炉发展历史

气垫炉的发展历史总体上可以分为两个阶段。

第一阶段始于20世纪60年代。美国于20世纪60年代初建造了世界上第一条用于铝带材热处理的气垫式连续热处理精整机组。此后，欧洲于1966年建造了处理铝带材的气垫式热处理精整机组。随后，日本“大同制钢”在1977年制造了一条处理铝带材的气垫式热处理精整机组。

图3 气垫炉工作过程示意图
Fig.3 Schematic diagram of the working process of the air cushion furnace

由于气垫炉的加热效率高，且其产品质量好，表面质量高等原因，使气垫炉的优越性被愈来愈多的人所认识。在20世纪70年代，欧美、日本等国家和地区掀起了第一轮气垫炉建设高潮，这一时期世界范围内主要的铝带材气垫炉生产线如表1所示。

表1 20世纪60～70年代国外各企业建造的铝带材气垫炉设备
Table 1 Representative air cushion furnaces of aluminum sheets and strips set up by foreign companies in 1960s～1970s

第二阶段从2000年至今，汽车产业的快速发展，也带来了环境污染、能源消耗、乘人安全等问题。大量法规要求采用铝合金板带材制造汽车，以解决环境、能源、安全等问题，从而保证汽车工业的健康发展。汽车工业需要的高品质、高表面质量、综合性能好的ABS板、沙特板(shate products)等，生产中必须采用气垫炉，因此引起了气垫炉又一轮扩建高潮[22-23]。在这段时间有报道称铝合金的盐浴槽淬火工艺将逐渐被气垫炉所代替[24]。

特别是从2010年下半年开始，国外铝加工行业掀起了一股改扩建汽车铝薄板带项目的浪潮，表2为目前世界上已建、改扩建及在建的汽车板带生产线[25-31]。

表2 国外各企业气垫炉装备设备
Table 2 Representative air cushion furnaces of foreign companies

2 气垫炉飘浮技术

气垫炉飘浮技术引起了很多学者的关注。已有的关于气垫炉飘浮技术的研究内容如下。

2.1 压力及压力系数的研究

M. J. Davies将气垫船研究领域的射流理论引入到气垫炉的研究过程中。M.J.Davies对Navier-Stokes方程进行简化和衍生，推导出薄壁射流方程。并通过实验验证了该理论的正确性[32]。CHANG Y等人采用壁面射流理论与实验相结合的方式，研究了圆孔结构喷嘴射流冲击带材的压力系数计算公式[33]。E.Baydar等人采用实验方式研究了单喷嘴限制射流冲击试验板的过程以及非限制射流冲击试验板的过程，获得了雷诺数Re=30 000～50 000、无量纲高度H/D=0.2～6情况下的流场分布情况以及压力系数分布情况[34]。A.Abdel-Fattah采用实验和数值模拟的方法研究了双缝隙喷嘴射流冲击水平形状试验板的流场分布情况，获得了雷诺数Re=95 000～224 000、无量纲高度H/D=3～12，无量纲缝隙间距L/D=3～8的压力系数和湍动能的分布情况，而且通过实验采集到的数据证明了数值模拟结果的准确性[35]。Y.Ozmen采用实验方法研究了双圆孔喷嘴在高雷诺数下限制射流冲击水平形状试验板流场分布的情况。获得了雷诺数Re=30 000～50 000、无量纲高度H/D=0.5～4，无量纲缝隙间距L/D=0.5～2情况下的流场分布情况以及压力系数分布情况[36]。Farhana Afroz采用数值模拟方法研究了双缝隙喷嘴倾斜射流冲击水平形状实验板的过程，获得了雷诺数Re=23 000～50 000、无量纲高度H/D=0.2～4，喷嘴倾斜角度45°～90°情况下努赛尔数的分布情况[37]。Ebru Oztekin采用实验与数值模拟的方法研究了单缝隙喷嘴射流冲击凹形试验板的过程，获得了雷诺数Re=3 000～12 500，无量纲高度H/D=1～14情况下的流场分布情况以及压力系数分布规律[38]。

2.2 流体与带材流固耦合过程的研究

郝亚娟采用相容拉格朗日-欧拉法研究了弹性梁式薄板在横向绕流的变形问题[39]。宋晓娟应用弹性薄壳的基本理论和流体弹性力学基本方程给出了浅拱形薄壳在流体作用下的变形与应力的变化规律[40]。周小利应用薄壳弹性理论及流体力学基本方程，给出了圆柱壳在流体中流固耦合问题的基本关系式。通过具体算例，绘出了流场分布图，讨论了有关参数变化对圆柱壳变形和表面压力系数的影响[41]。HYUN-KI CHO研究了单个双缝隙喷嘴与塑料带材的流固耦合过程[42]。Peter Moretti研究了长带材与多个喷嘴的气垫相互耦合过程中的带材横向变形问题，并指出通过调整嘴倾斜角度对带材的横向变形量影响不大[43]。

2.3 喷嘴与流场的研究

1987年，中南大学陈文修等人研究了缝隙结构喷嘴和圆孔结构喷嘴的空气动力学机理[44]。1988年，中南大学陈文修研究了气垫炉内x轴方向和y轴方向的流速分布情况[45]。2013年，侯帅研究了气垫炉缝隙喷嘴传热特性和气垫炉圆形喷嘴的飘浮力及传热特性[46-47]。2017年王占军研究了气垫式退火炉内气体流场与压力场[48]。

2.4 带材飘浮高度的研究

陈文修研究了金属板带材在气垫炉内的飘浮高度问题，提出了气垫薄层的概念，建立了飘浮高度与气体流量之间关系的数学模型[49]。陈文修开展带材飘浮实验获得了大量的分析带材飘浮高度与风机功率消耗之间的数据，并拟合出带材飘浮高度与风机消耗功率之间的计算公式[50]。

2.5 气垫炉设备的介绍与研究

1976年IRON AGE期刊首次报道气垫炉在美国已经成功应用于铝以及钢铁行业[51]。由于气垫炉较高的温度均匀性以及加热速率，所以生产厂家正逐步使用气垫炉来替代箱式炉。与国外气垫炉的工业化应用进程相比，国内的气垫炉装备技术起步较晚，1979年《轻合金加工技术》杂志有2篇文献对气垫炉的气垫式热处理过程进行报道[52]。1981年，吕松宝对气垫炉的工作过程、工作原理、整体结构以及未来气垫炉的设计与开发工作进行了较为详细的介绍[53]，这次报道使国人对气垫式连续热处理生产线以及气垫炉设备有了一个较为形象的了解。1986年，干志成报道了美国Surface公司为我国西南铝加工厂提供气垫炉的消息，该生产线于1988年上半年投入生产，西南铝加工厂是国内第一个引进气垫炉设备及其生产线的企业。2003年，赵明等人对国外某公司喷嘴浮力计算公式进行了介绍。2011年，中冶赛迪工程技术股份有限公司的苏晓莉对西南铝加工厂第二条气垫式连续热处理生产线进行报道。相隔25年后，西南铝加工厂建立了国内第二条用于铝带材生产的气垫式连续热处理生产线，且生产线中的气垫炉设备仍然从国外进口。2012年，黄超介绍了西南铝加工厂第二条气垫式连续热处理生产线的设备构成，阐述了气垫炉前后自动化控制系统的设计过程[54]。同年刘显军研究了气垫式连续热处理机组工艺段的张力控制策略[55]。崔祥民介绍了气垫炉退火段的控制策略和退火生产过程[56]。路振龙给出了气垫式连续退火炉的传热计算公式[57]，使气垫炉的传热设计有依据可以参考。2015年，汪磊对气垫炉工艺参数设定基本方法进行了报道。2015年，李家栋等研究了铝带气垫式热处理线张力控制系统，构建了以工艺数学模型为核心的张力控制系统[58]。2014年，侯帅搭建了一个以工业化为目的的大规格试验平台，该平台运行效果良好[59]。2015年东北大学王国栋院士开发研制出具有我国自主知识产权的大型气垫炉装置[60-63]。采用试验与数值模拟相结合的方法开发试验设备是目前设备开发非常重要的方法[64-76]，可大大缩短设备的开发周期并提高设备的开发效率，目前该方面的研究较少。

3 气垫炉飘浮技术展望

上述气垫炉的研究成果，涉及压力系数、流体与带材的流固耦合、不同喷嘴结构的气体动力学特性、气垫炉三维流场流动规律、带材飘浮高度预报模型和气垫炉设备等几个方面，丰富了气垫炉的研究成果，但还存在以下不足：

1)在工作过程中，带材在飘浮过程中的形状为正弦形状，而已有的研究都是针对喷嘴射流冲击水平形状带材的情况进行的，炉内带材的形状通常为正弦形状，因此开展关于喷嘴射流冲击正弦形状带材的研究会更符合实际的生产情况，能为生产提供更好的指导。

2)带材的悬浮过程的稳定性关系到产品的表面质量是否合格。有学者对薄壳与流体的流固耦合过程进行研究，但是其研究的对象为无限宽度的流体从无穷远处流过来与薄壳进行横向绕流的流固耦合过程，上述过程中流体的流动情况和气垫炉内喷嘴的射流过程并不相同，而且上述过程中薄壳的约束方式与气垫炉内带材的约束方式也不相同。虽然有学者研究过塑料带材与喷嘴形成的气垫的耦合过程，该耦合过程中的流体流动方式与带材的约束方式与气垫炉内流体流动方式与带材的约束方式相似，但是该研究过程忽略了喷嘴射流后流体垂直方向的速度变化、喷嘴与带材之间压力梯度的变化，喷嘴射流后流体与周围空气之间的能量交换等因素，所以降低了预测的精度。开展气垫炉内铝带材和空气的流固耦合过程的研究对于气垫炉技术的发展具有重要的意义。

3)陈文修等人主要是描述了缝隙结构喷嘴与圆孔结构喷嘴的动力学功能，而陈文修等人针对三维流场分布规律进行的研究结果，由于缺乏实验仪器的验证，因而模型的准确性无法得到证实。喷嘴是气垫炉的核心器件，我国目前关于气垫炉喷嘴的研究和专利较少，开展这方面的研究对于气垫炉技术的发展具有重要的意义。此外，导流结构是气垫炉内的一个重要部分，开展关于气垫炉导流结构的研究对气垫炉技术的发展具有重要的意义。

4)在20世纪60年代至70年代，美国、日本以及一些欧洲发达国家已经将气垫炉成功应用于工业生产中。相比之下，中国的气垫炉技术起步较晚，20世纪80年代西南铝加工厂从国外引进第一条气垫式连续热处理生产线；到目前为止，我国虽然已经完成气垫炉前后设备的国产化过程，国产化的气垫炉试验设备已经完成中试实验，但是国内目前尚没有自主研发出可应用于工业化生产的气垫炉设备。一个新炉型的开发都要走小型试验-中试试验-示范装置-工业应用这样的过程，而利用试验平台的实验研究结果与模拟软件的计算结果，可大幅的节省人力物力，加速研究进展，缩短研究周期，能够迅速提升我国气垫炉技术的研究水平。

5)从已有的研究成果来看，有学者采用机制建模方法和实验数据拟合方法对带材的飘浮高度进行建模。机制建模方法通常基于Navier-Stokes方程与连续性方程建立气垫炉内的控制方程，采用数值方法对控制方程进行求解，从而获得带材飘浮高度的计算公式，但是该方法建模过程复杂，求解难度大；实验数据拟合方法，是利用已有的实验数据，拟合出带材飘浮高度计算模型，建模过程简单，但是该方法的应用范围过小，工况一旦发生变化，模型需要重新拟合，且拟合过程需要大量的实验数据，耗时耗力；机理建模方法具有模型稳定性高和泛化性能好的特点，数据建模方法具有建模简单的特点，将机理模型与数据模型各自的优点相互结合，建立混合模型是高度预测模型的一个研究方向。

4 结束语

气垫炉具有生产效率高、产品表面质量好和材料均匀性好等特点。该设备受到了众多学者和研发机构的关注。本文分别从压力及压力系数、流体与带材流固耦合、喷嘴与流场、带材飘浮高度、气垫炉设备的开发等几个方面对气垫炉飘浮技术进行了介绍。对气垫炉飘浮过程中的技术发展趋势进行了展望。